Géologie de l’Ingénieur et Géomécanique

Principaux axes de recherche

La géomécanique s’est continuellement développée autours d’applications pratiques dans lesquelles cette discipline pouvait apporter une réelle plus value. Aujourd’hui, la recherche de l’équipe au Centre de Géosciences porte sur trois axes principaux à fort enjeu scientifique et socio-économique :

1. La modélisation thermodynamique des stockages massifs d’énergie dans le sous-sol :

L’objectif est le développement d’une plateforme multi-physique et multidimensionnelle de simulation de l’ensemble de la chaîne de stockage, en particulier dans des grandes cavités souterraines, créées par lessivage dans le cas des cavités salines ou par construction dans le cas de cavités minées/revêtues). Pour répondre aux nouvelles exigences liées à la transition énergétique, le logiciel DEMETHER, développé par l'équipe initialement pour la résolution couplée des problèmes thermodynamiques liés au stockage de gaz naturel en cavités profondes, est continuellement étendu à la prise en compte de nouveaux fluides énergétiques et à de nouveaux types de sollicitation (cycles rapides d’injection-soutirage, conditions de sollicitions inhabituelles pour le domaine de la géomécanique : forte pression, forts gradients de température, prise en compte d’équations d’état spécifiques pour le comportement d’un gaz réel, réactivités des gaz aux milieux géologiques, comportement Thermo-Hydro-Mécanique de la cavité en présence de différents fluides, …).

2. Couplages multi-physiques dans les matériaux complexes :

Il s’agit de les comprendre pour mieux modéliser les processus Thermo-Hydro-Mécanique et Chimique dans des matériaux hétérogènes, anisotropes, fracturés, et formuler des lois décrivant les processus de leur endommagement sous chargements complexes. Ces travaux sont appliqués à l’étude de la stabilité et des techniques de renforcement d’ouvrages souterrains en mines et en travaux publics (mines très profondes, tunnels profonds ou très peu profonds en sites urbains, stabilité des versants rocheux et des ouvrages construits sur versants instables) ainsi qu’à l’optimisation de la récupération d’hydrocarbures dans des réservoirs très peu perméables.

3. Mécanique du forage des roches très profondes :

Mieux comprendre les processus de coupe des roches sous très fortes pressions et rechercher de nouveaux modes de coupe de ces roches, identifier les mécanismes d’excitation générés en fond de trou et leur effet sur la stabilité des systèmes de forage. Ces travaux sont appliqués -à la simulation des performances des systèmes de forages géothermiques et d’hydrocarbures, -à l’étude de leur intégrité mécanique et de leurs conditions de stabilité dynamique, -ainsi qu’à l’identification et la valorisation de nouvelles techniques de forage comme l’utilisation des arcs électriques de très hautes puissances (400kV), les jets d’eau à très haute pression (300MPa) ou encore des méthodes hybrides combinant plusieurs processus de destruction de la roche. Ce dernier point est l'objet du nouveau projet Orchyd.

Comportement des géomatériaux
Exemple : comportement des roches salines (dilatance irréversible)

Développements expérimentaux pour l'étude des comportements des roches

L’équipe conduit depuis 50 ans des recherches sur la rhéologie du sel gemme, dans le cadre d’exploitations minières (traditionnelles ou par lessivage) ou pour le stockage de déchets, de produits pétroliers et plus récemment d’énergie. Une synthèse des travaux de l’équipe a fait l’objet de l’HDR de M. Tijani (2010) ⟨tel-00430361⟩ et de celle de A. Rouabhi (2019) ⟨tel-02239077⟩. Les lois proposées pour décrire le comportement thermodynamique de cette roche sont constamment remises à jour en fonction de la nature et des gammes de sollicitations prévues dans les opérations industrielles.

Des observations au laboratoire et in situ montrent clairement que ces roches ont un comportement fluant, même en présence d’insolubles, avec une faible variation irréversible de volume. Cependant, cette déformation volumique devient significative quand le nombre de cycles courts de sollicitation devient important, situation qui devient courante lors de l’exploitation de ces cavités, en particulier pour le stockage d’énergie sous forme de gaz de synthèse dans le cadre de la transition énergétique.
Cette recherche a nécessité l’amélioration de nos dispositifs expérimentaux pour mieux mesurer la faible variation du volume de l’échantillon durant les essais triaxiaux. Un nouveau modèle viscoplastique à déformation volumique irréversible a été proposé. Ce modèle, compatible avec les résultats expérimentaux, démontre clairement que le « critère de dilatance en termes de contraintes », couramment utilisé pour juger de la stabilité de cavités salines, n’est ni intrinsèque ni sécuritaire.
P. Labaune, A. Rouabhi, M. Tijani, L. Blanco-Martín, T. You. Dilatancy Criteria for Salt Cavern Design: A Comparison Between Stress- and Strain-Based Approaches. Rock Mechanics and Rock Engineering, Springer Verlag, 2017, ⟨10.1007/s00603-017-1338-4⟩. ⟨hal-01636914⟩

Modélisation des ouvrages de l’espace souterrain et de l’espace naturel
Exemple : modélisation de la congélation d’un massif rocheux

Les principales lois qui interviennent dans la modélisation de la congélation d’un milieu poreux saturé sont les lois de conservation de la masse et de l’énergie et les lois thermodynamiques des phases contenues dans la porosité connectée du milieu. Bien que la littérature scientifique consacrée à ce sujet soit assez riche, des verrous scientifiques subsistent encore, sans même considérer les difficultés engendrées par la prise en compte de la déformabilité du squelette. Les travaux de recherche menés par l’équipe ont mis en évidence l’importance (i) de l’hyper salinité de l’eau naturelle contenue dans le milieu poreux et (ii) des fortes vitesses d’écoulement de la phase liquide dues au gradient hydraulique et de sa localisation au cours de la congélation.

Par ailleurs, dans un cadre d’applications industrielles (congélation de massifs rocheux aquifères pour l’exploitation de mines d’uranium, construction d’une paroi de glace pour l’exploitation d’une mine à ciel ouvert, stabilité de tunnel en site urbain, ...), le travail a porté aussi sur le développement d’une méthodologie pour dimensionner le réseau de forages de congélation. Pour atteindre cet objectif, le problème complet a été reformulé en faisant appel au cadre théorique de la thermodynamique des milieux polyphasiques et multiconstituants et scindé en deux sous-problèmes couplés : (i) l’écoulement du fluide réfrigérant dans les tubes de congélation régi par des lois de mouvement et de comportement introduites dans le nouveau logiciel DEMETHER pour divers réfrigérants (ii) le changement de phase dans le milieu poreux et la prise en compte du terme transport d’énergie par mouvement du liquide ont été considéré respectivement par un lois de comportement dédiée et via une utilisation de la librairie COMSOL. Le couplage des deux sous-problèmes est lié à la prise en compte de l’échange d’énergie entre les tubes de congélation et le sol et a nécessité une réflexion sur les lois physiques d’interface et le bon choix d’algorithmes numériques et de discrétisations de l’espace et du temps.

Enfin pour déterminer la loi de comportement mécanique de massif congelé, un essai triaxial dans la chambre froide a été développé où la mesure des déformations par jauges a été mise au point pour les températures négatives.

A. Rouabhi, E. Jahangir, H. Tounsi. Modeling heat and mass transfer during ground freezing taking into account the salinity of the saturating fluid. International Journal of Heat and Mass Transfer, Elsevier, 2018, 120, pp.523 - 533. ⟨ 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.12.065⟩ . ⟨hal-01667503⟩

Interaction structures/géomatériaux et modélisation du comportement des interfaces
Exemple : prise en compte du couplage hydro-mécanique dans la modélisation du processus de coupe mécanique des roches

Copeau de roche en cours de création lors de la coupe

Champs de pression de pore au voisinage de la coupe

La plupart des modèles existants de forabilité et de coupe des roches ignorent le rôle de la vitesse de l’outil de coupe ou de forage dans le calcul des efforts de creusement de la roche. Depuis une dizaine d’années, l’équipe s’était engagée dans une recherche visant à expliquer les observations in situ et au laboratoire qui montrent que, dans des conditions réalistes, l’influence de la vitesse ne peut être négligée.   Une nouvelle approche numérique basée sur un couplage hydro-mécanique a été développée en régime stationnaire (durant le mouvement du taillant à vitesse constante, toutes les grandeurs physiques dans la roche sont fonctions uniquement de la position du point par rapport à l'outil de coupe). L’originalité de l’approche qui a été implémentée dans le progiciel VIPLEF est de pouvoir prendre en compte la vraie géométrie de l'outil et de considérer que la variation de la porosité dans le copeau de roche, en cours de création lors de la coupe, est un résultat du problème mécanique et non une donnée externe. Les résultats des simulations ont été vérifiés via de nombreux essais spécifiques de laboratoire et le progiciel VIPLEF3D a été utilisé par nos partenaires pour relier les efforts de forage aux variables liées à la roche et aux paramètres opératoires.

M. Amri, G. Pelfrene, L. Gerbaud, H. Sellami, M. Tijani. Experimental investigations of rate effects on drilling forces under bottomhole pressure. Journal of Petroleum Science and Engineering, Elsevier, 2016, 147, pp.585 - 592.  ⟨ 10.1016/j.petrol.2016.09.025⟩.⟨ hal-01685066⟩